一款基于變量施肥理論和B/S架構(gòu)的應(yīng)用軟件的研發(fā)

劉宇鋒 李承夏

摘? 要：針對我國科學施肥水平較低的現(xiàn)狀，研發(fā)了“土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0”應(yīng)用軟件。軟件基于變量施肥理論和B/S架構(gòu)，以目標產(chǎn)量法和養(yǎng)分平衡法為算法核心，以作物養(yǎng)分需求為依據(jù)，可獲得土壤供肥能力、作物目標產(chǎn)量養(yǎng)分需求量、肥料施用量、有機肥施用量等數(shù)據(jù)，能對土壤肥力進行科學評價;軟件具有計算結(jié)果保存和打印輸出功能。作為一款符合互聯(lián)網(wǎng)時代要求的軟件將為作物施肥提供科學、準確的軟件技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：變量施肥理論;B/S架構(gòu);土壤供肥能力;作物科學施肥;軟件研發(fā)

中圖分類號：TP319? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）17-0099-08

Abstract：In view of the low level of scientific fertilization in China，an application software of “soil fertilizer supply capacity and crop scientific fertilization expert system V2.0” was developed. Based on variable rate fertilization theory and B/S architecture，the software takes the target yield method and nutrient balance method as the algorithm core，and takes the crop nutrient demand as the basis. It can obtain the data of soil fertilizer supply capacity，crop target yield nutrient demand，fertilizer application amount，organic fertilizer application amount，etc.，and can scientifically evaluate soil fertility. The software has the function of saving calculation results and printing output. As a software in line with the requirements of the Internet era，it will provide scientific and accurate software technical support for crop scientific fertilization.

Keywords：variable fertilization theory;B/S architecture;soil fertility assessment;crops scientific fertilization;software development

0? 引? 言

目前我國農(nóng)業(yè)化肥施用多停留在經(jīng)驗施肥的水平，肥料施用隨意性大，科學施肥水平較低[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國的化肥平均施用量已達434.6 kg/hm2[2，3]，遠遠超出發(fā)達國家為防止化肥對水體造成面源污染設(shè)定的225 kg/hm2的安全上限，是國際標準的1.93倍以上[4]。我國化肥平均利用率僅為30%～40%，同期歐美農(nóng)業(yè)發(fā)達國家糧食作物化肥平均利用率為50%～65%[5]，我國肥料利用率與國外先進水平間存在一定差距;化肥的增產(chǎn)作用并未完全發(fā)揮，肥料施用量過大并造成了資源浪費和農(nóng)業(yè)面源污染[6]，因此實行變量施肥理論和技術(shù)是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展必然選擇。

變量施肥理論和技術(shù)作為精準農(nóng)業(yè)重要內(nèi)容之一，因地制宜的思想體現(xiàn)了精準農(nóng)業(yè)的精髓。變量施肥的基本原理是根據(jù)土壤養(yǎng)分存在差異的特點，按照耕作的田塊的需要，對肥料進行“變量投入”，根據(jù)土壤的養(yǎng)分進行施肥，力求在保證一定目標產(chǎn)量的情況下，充分利用原有土壤肥力，提高化肥利用效率，實現(xiàn)降低施肥投入、提高土地產(chǎn)出、減少污染及保護環(huán)境的目標[7-9]。同時，科學施肥與土壤條件、作物需肥特點、自然環(huán)境條件和肥料品種等密切相關(guān)[10]。不同作物其吸收養(yǎng)分總量和養(yǎng)分比例不同，需要了解種植作物需肥規(guī)律;不同地區(qū)的自然條件，如氣候、地貌、土壤肥力水平和耕作習慣不同，施肥參數(shù)也不相同;施肥量與土壤條件、作物需肥特點、自然環(huán)境條件和肥料品種之間的復(fù)雜關(guān)系對非專業(yè)人員而言較難掌握，人工計算需要深厚的理論基礎(chǔ)。土壤供肥能力大小需要通過計算模型進行土壤供肥能力運算，計算過程繁瑣且運算量大;同時，人工計算也很難保證結(jié)果的準確性。為減輕工作量、提高工作效率和運算結(jié)果準確性，研發(fā)相關(guān)科學施肥軟件勢在必行。

目前國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)多款推薦施肥系統(tǒng)：如北京中農(nóng)博思科技發(fā)展有限公司開發(fā)的農(nóng)博士肥料配方軟件[11]、廣西測土配方施肥決策系統(tǒng)[12]、云南雙柏縣測土配方施肥專家系統(tǒng)軟件[13]、三江平原測土配方施肥TRPF系統(tǒng)[14]等，部分屬于需要安裝包的桌面軟件，其軟件開發(fā)完成后，軟件結(jié)構(gòu)和內(nèi)容基本固化，數(shù)據(jù)更新和內(nèi)容修改完善較為困難，重新修改需要重新發(fā)布安裝包，靈活性和適用性欠佳，不適用互聯(lián)網(wǎng)時代軟件發(fā)展的要求。互聯(lián)網(wǎng)時代的顯著特征是軟硬件資源共享，數(shù)據(jù)處理通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成，客戶的各類型終端成為連接網(wǎng)絡(luò)的末梢節(jié)點[15]。因此，計算機軟件開發(fā)與應(yīng)用需緊緊跟隨互聯(lián)網(wǎng)時代發(fā)展的步伐，以創(chuàng)新驅(qū)動、智能化為發(fā)展方向，以社會需求和客戶體驗為發(fā)展重點[16-18]，運用程序邏輯的設(shè)計來更好地實現(xiàn)更便捷更精確的預(yù)期。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深度融合和廣泛應(yīng)用，將變量施肥原理與網(wǎng)絡(luò)軟件相結(jié)合，研發(fā)出一款土壤供肥能力和作物科學施肥的計算機軟件，即作物科學施肥專家系統(tǒng)，成為農(nóng)業(yè)科學施肥應(yīng)用研究的一個重點。如何將變量施肥理論和原理與互聯(lián)網(wǎng)時代計算機軟件結(jié)合，讓使用者不僅能在電腦上使用相關(guān)科學施肥軟件，而且能夠在無線網(wǎng)絡(luò)條件下利用各種智能終端使用相關(guān)科學施肥軟件指導科學施肥工作，彌補傳統(tǒng)桌面軟件的不足，能實時對軟件進行更新、維護與管理，這些都對科學施肥軟件本身提出了更高的要求。土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0以作者學習的土壤肥料理論文獻為基礎(chǔ)，結(jié)合作物專用肥料研發(fā)試驗中獲得相關(guān)計算方法與數(shù)據(jù)，并將變量施肥理論與互聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)相結(jié)合，最終成功將土壤肥料專業(yè)理論優(yōu)化組合研發(fā)出相應(yīng)的計算機軟件，既解決了土壤肥料生產(chǎn)實踐中的實際問題，也符合互聯(lián)網(wǎng)時代軟件研發(fā)的要求。

1? 軟件介紹

1.1? 整體構(gòu)架和開發(fā)工具

應(yīng)用程序軟件主要有兩種模式：客戶機/服務(wù)器（Client/Server，C/S）和瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）[12，13]。本軟件“土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0”就是采用B/S架構(gòu)的網(wǎng)頁應(yīng)用程序，其整體架構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0采用ASP V3.0、HTML V5.0編程語言進行編寫，源程序代碼13 900行，本軟件兼容當前主流網(wǎng)頁瀏覽器。

1.2? 軟件功能

依據(jù)設(shè)計要求賦予本軟件7項主要功能，如表1所示。

1.3? 算法模型

本軟件主要涉及5項理論算法的算法模型：土壤供肥量算法模型、作物目標產(chǎn)量養(yǎng)分需求量算法模型、肥料施用量算法模型、土壤肥力肥力評價模型和有機肥最低施用量計算模型。

（1）算法模型1：土壤供肥量算法模型。土壤供肥量以土壤速效養(yǎng)分指標為基礎(chǔ)[19]，依據(jù)式（1）進行運算：

其中，0.15代表每667 m2的換算系數(shù);土壤養(yǎng)分校正系數(shù)，表示土壤測定值與作物產(chǎn)量的相關(guān)性，一般采用0.55[20，21]。

（2）算法模型2：作物目標產(chǎn)量養(yǎng)分需求量算法模型。對各種作物的單位質(zhì)量經(jīng)濟產(chǎn)量吸收的養(yǎng)分量數(shù)據(jù)值為依據(jù)[19，22]，按照式（2）運算：

本軟件對各作物的最高產(chǎn)量進行了說明，避免隨意輸入目標產(chǎn)量數(shù)值而造成錯誤。

（3）算法模型3：肥料施用量算法模型。根據(jù)作物目標產(chǎn)量需肥量與土壤供肥量之差為人工施肥量，通過肥料養(yǎng)分含量和肥料當季利用率計算肥料施用量[14]，式（3）為：

其中，本軟件中花生作為豆科作物，具有一定的自身固氮作用，氮肥施用和計算時，需要考慮自身固氮能力的大小和影響。

（4）算法模型：4：土壤肥力評價算法模型。使用目標地塊土壤有機質(zhì)含量、堿解氮、速效磷、速效鉀等4個土壤數(shù)據(jù)指標，并結(jié)合各指標在土壤肥力綜合評價指數(shù)式（4）及其權(quán)重，獲得相應(yīng)的土壤肥力綜合評分;依照評分標準給予目標地塊的土壤肥力等級[23]。土壤肥力綜合評價指數(shù)（I）如式（4）所示：

其中，I代表土壤綜合肥力指數(shù)，F(xiàn)i為第i個指標評價值，Wi為第i個指標的權(quán)重。

（5）算法模型5：有機肥最低施用量算法模型。依據(jù)土壤有機質(zhì)含量分析獲得數(shù)據(jù)，獲得土壤單位面積內(nèi)有機質(zhì)的質(zhì)量;依據(jù)土壤有機質(zhì)的年礦化率，計算獲得單位面積礦化土壤有機質(zhì)消耗量;單位面積土壤礦化有機質(zhì)的消耗量，即為人工有機質(zhì)施入最低量;分析有機肥的有機質(zhì)含量和含水率，代入式（5）就可計算保持土壤有機質(zhì)含量不下降的有機肥最低施用量[24]。

其中，單位面積土壤質(zhì)量按1.5×105 kg/667 m2，土壤有機質(zhì)年平均礦化率按3%進行計算[25]。

1.4? 軟件界面

土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0作為一款網(wǎng)頁應(yīng)用軟件，通過網(wǎng)頁瀏覽器打開軟件所在網(wǎng)址即可訪問并使用本軟件。軟件主要由首頁、系統(tǒng)計算、系統(tǒng)介紹和成果展示4個功能頁面組成，如圖2所示。如圖2（a）所示，首頁（主要包括4個主界面的入口，6個功能模塊的快速入口，系統(tǒng)介紹、研發(fā)團隊和軟件功能介紹等內(nèi)容。如圖2（b）所示，系統(tǒng)計算模塊包含了5種作物科學施肥計算、土壤肥力評價和有機肥最低施用的計算模塊等內(nèi)容，是整個軟件的核心，所有計算數(shù)據(jù)和分析結(jié)果均在此模塊中顯示。如圖2（c）所示，系統(tǒng)介紹由軟件原理說明、研發(fā)團隊所在單位和研發(fā)團隊人員簡介等3部分組成。如圖2（d）所示，成果展示主要展示了本應(yīng)用軟件在各作物施肥工作應(yīng)用的圖像資料。

軟件設(shè)置了如圖3（a）所示的認證界面和如圖3（b）所示的登錄界面，軟件使用者需經(jīng)過軟件管理員確認授權(quán)后，才能登錄并使用本軟件，以確保軟件安全、穩(wěn)定運行。

2? 操作流程

在網(wǎng)頁瀏覽器地址欄輸入http：//www.shifeibao.cn/的軟件網(wǎng)址后出現(xiàn)軟件主頁。點擊軟件右上部的“進入系統(tǒng)模塊”按鈕后，輸入注冊的賬號與登錄密碼后，進入主計算界面。軟件具體的操作流程如圖4所示。

主要操作步驟分為：步驟1：選擇甘蔗、水稻、玉米、花生和馬鈴薯5種作物，并依據(jù)合理目標產(chǎn)量，計算達到目標產(chǎn)量的各養(yǎng)分需求量;步驟2：通過土壤相應(yīng)理化指標數(shù)據(jù)，獲得土壤供肥能力數(shù)據(jù);步驟3：目標產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量與土壤供肥量的差值，即為人工養(yǎng)分施入量;步驟4：作物施肥量和施肥成本計算，在這個步驟中分為人工選擇單質(zhì)化肥的施肥量和施肥成本計算、單質(zhì)化肥最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算、普通復(fù)合肥與單質(zhì)化肥配施、最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算3個功能模塊。

人工選擇單質(zhì)化肥的施肥量和施肥成本計算是使用者人工選擇肥料種類，輸入肥料養(yǎng)分含量和單價，依據(jù)人工施用養(yǎng)分量計算出各肥料的施用量和施肥成本，這種方法最簡單，但實用性較差。單質(zhì)化肥最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算，是以17種單質(zhì)化肥養(yǎng)分單價和含量數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建立所提供各作物所需養(yǎng)分所有可能組合，其中甘蔗和花生N、P、K、Ca單質(zhì)化肥240種組合，而水稻、玉米、馬鈴薯等N、P、K單質(zhì)化肥組合48種，依據(jù)計算獲得的人工養(yǎng)分施入量的數(shù)據(jù)，計算獲得所有單質(zhì)肥料組合的價格和施肥量，依據(jù)預(yù)設(shè)程序選取最低成本的單質(zhì)化肥組合，即完成作物單質(zhì)化肥最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算過程。普通復(fù)合肥與單質(zhì)化肥配施，最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算，使用者人工選擇通用復(fù)合肥種類并輸入單價，首先滿足人工施用養(yǎng)分量中最低的養(yǎng)分施入量，并以此確定通用復(fù)合肥施用量，剩余的人工施用養(yǎng)分量使用單質(zhì)化肥最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算方法確定單質(zhì)化肥種類、計算施肥量和施肥成本。

3? 軟件特色

3.1? B/S架構(gòu)的網(wǎng)頁軟件

B/S類軟件一般是通過網(wǎng)頁瀏覽器運行的網(wǎng)頁應(yīng)用軟件。網(wǎng)頁應(yīng)用程序的優(yōu)勢在于依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的強大運算能力，用戶只需通過網(wǎng)頁瀏覽器即可直接訪問應(yīng)用程序，運行時占用內(nèi)存少，不需要軟件安裝包，不產(chǎn)生程序安裝環(huán)節(jié)，避免了程序安裝過程可能出現(xiàn)的不可預(yù)測問題的缺陷;同時軟件設(shè)計與開發(fā)人員可依據(jù)用戶反饋信息對軟件進行實時修改和完善，軟件的生命周期更長。

3.2? 提示作物目標產(chǎn)量的合理范圍

作物類型的選擇和作物目標產(chǎn)量的輸入是獲得達到作物目標產(chǎn)量主要養(yǎng)分需求量的基礎(chǔ)，其計算結(jié)果是依據(jù)各作物單位質(zhì)量的養(yǎng)分需求量的計算模型獲取。為了避免使用者對選擇的作物隨意輸入目標產(chǎn)量導致的不合理的養(yǎng)分計算結(jié)果，如圖5所示，本軟件在設(shè)計中進行了相關(guān)設(shè)置，分別用紅色標記和文本提示框以提醒使用者，明確選定作物的當前上限產(chǎn)量，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出。

3.3? 肥料單位提供了標準單位與習慣單位

化肥養(yǎng)分含量有標準單位（g/kg）和習慣單位（%）2種表示形式。標準單位主要在書面正式場合（論文）使用，習慣單位主要在化肥流通銷售領(lǐng)域（肥料包裝）應(yīng)用。為簡化單位換算過程，減低使用難度，如圖6所示，本軟件系統(tǒng)在肥料養(yǎng)分含量的下拉菜單中分別設(shè)置了標準單位和習慣單位2種表示形式，便于使用者依據(jù)實際情況靈活選擇使用。

3.4? 設(shè)計了3種作物科學施肥計算方案

軟件設(shè)置了作物科學施肥和成本計算模塊3個主要功能模塊。人工選擇單質(zhì)化肥的施肥量和施肥成本計算、單質(zhì)化肥最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算、普通復(fù)合肥與單質(zhì)化肥配施，最低施肥成本的施肥量自動尋優(yōu)計算3個功能區(qū)，使用者能靈活地選擇化肥施用的種類和組合方式，更加符合農(nóng)業(yè)施肥生產(chǎn)實際，拓寬了本軟件的使用范圍。

3.5? 設(shè)計了土壤肥力評價和有機肥最低施用的計算模塊

如圖7、圖8所示，土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0增加了土壤肥力量化評價、土壤有機肥最低施肥量計算2個功能模塊。

以土壤和有機肥料理化分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過量化計算模型和評價標準，有效地解決了如何得到科學有效的土壤肥力等級評價和有機肥如何合理使用的實際問題。

3.6? 所有結(jié)算結(jié)果均能保存、查看和打印輸出

如圖9所示，軟件在土壤供肥能力和作物科學施肥、土壤肥力評價、有機肥最低施肥量計算3個主要板塊中，均設(shè)置了“查看保存結(jié)果”的模塊，方便使用者了解使用本軟件的整體數(shù)據(jù)計算情況。

如圖10所示，在“查看保存結(jié)果”模塊中，對完成運算的所有結(jié)果以統(tǒng)計報表形式加以匯總，并設(shè)置了打印功能，便于使用者將計算結(jié)果打印輸出。

4? 結(jié)? 論

土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0以變量施肥理論為基礎(chǔ)，土壤自身肥力狀況和作物生長所需的養(yǎng)分要求，使用者可根據(jù)實際自主選擇肥料種類，也可以系統(tǒng)自動尋優(yōu)選擇化肥種類、計算施肥量和施肥成本等多種施肥量運算模式，并提供了土壤肥料評價和有機肥最低施用量功能模塊，擴展了本軟件的配套功能，從而達到合理施肥，培育土壤肥力，減少環(huán)境污染的目的。本專家系統(tǒng)采用B/S軟件架構(gòu)，界面友好且親和力強，縮短使用者對軟件所需的理解時間，避免出現(xiàn)不必要的操作失誤;全部分析模塊用分類形式集中在同一界面顯示，所有運算過程和計算結(jié)果集中、同步顯示于同一界面，簡潔明了，方便實用。

土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0作為V1.0的深度改良版，繼承了土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V1.0版本的基本構(gòu)架和核心算法，在V1.0版本基礎(chǔ)上進行了較大幅度的修改完善，克服其存在的漏洞和不足，除了保留V1.0版本免安裝、易維護、共享性強、數(shù)據(jù)計算結(jié)果準確、可靠性高等特色外，還豐富了肥料施用種類與組合的內(nèi)容，增加了肥料尋優(yōu)計算、土壤肥力評價、有機肥最低施用量計算和數(shù)據(jù)保存與輸出等內(nèi)容。目前本軟件目前已經(jīng)申請獲得國家計算軟件著作權(quán)登記證書（登記號：2020SR1182061）。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和土壤肥料理論研究與應(yīng)用的不斷深入，本軟件也將與時俱進，不斷豐富與發(fā)展。

在互聯(lián)網(wǎng)時代和各種智能終端普及條件下，農(nóng)業(yè)技術(shù)員、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大戶和肥料經(jīng)銷商的利用各種移動智能網(wǎng)絡(luò)終端，可方便使用本軟件科學指導農(nóng)民合理施肥、及時服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而進一步提高了施肥精確性，提高了肥料利用率，降低施肥成本，增加了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益，減少環(huán)境污染。土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V2.0應(yīng)用前景廣泛，助力我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：劉宇鋒（1980—），男，漢族，湖南湘陰人，副研究員，博士，研究方向：作物科學施肥與應(yīng)用。